Avant d'être acteur, puis réalisateur, Olivier Marchal a d'abord été policier à la P.J.. Il a décidé d'abandonner son métier de policier car il finissait par avoir peur, chose qu'il reconnut lui-même lorsqu'il embrassa la carrière de comédien.
On le découvre ensuite acteur dans les séries françaises Quai numéro un (France 2) et Police District (M6).
Il écrit aussi pour la télévision : séries Commissaire Moulin (TF1) et Central Nuit (France 2).
Il passe à la réalisation et signe des polars, Gangsters, 36 Quai des Orfèvres et
MR 73.
Outre Daniel Auteuil, certains acteurs se retrouvent de façon récurrente dans ses films : Gérald Laroche est présent dans deux films, tandis que Catherine Marchal, sa femme, Guy Lecluyse et Francis Renaud sont présents dans les trois. À noter que le personnage joué par Francis Renaud est toujours tué, qu'il joue un bon ou un méchant.
Il dirige Gérard Lanvin dans le film Les Lyonnais dont la sortie est prévue en 2011, long-métrage qui porte sur le gang des Lyonnais qui a sévi dans les années 1970.